专利名称：单轴对称曲面型动力推进器原理及应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于航空航天飞行以及用于陆上交通工具或水面水下舰船的动力推进装置。
自本世纪莱克兄弟发明飞机以来，各类型飞机(喷气式、螺旋桨式或直升机)的动力来源都离不开空气介质(包括升力和前进力)，其活动范围因而受到大气层厚度的限制。卫星运载火箭和航天飞机的研制和发射也涉及高精密技术要求、高成本和高风险性诸多问题，而且还有机场及发射场占地面积广、建设投资巨大，管理工作繁复、维持费用巨大，以及噪声污染等系列环境问题。另外，水面水下舰船的螺旋桨片运转时机械效率不高，所造成的噪声大，易被声纳跟踪探测都是技术上较难解决的问题。
本发明的目的是寻找一种工作原理不同于前述任何一种动力机械的动力推进器，即不完全受空气动力学、流体力学指导，不完全依据作用与反作用力原理的新型动力推进器。
本发明的解决方案是利用刚性单轴对称旋转曲面的特殊构造将绕轴的旋转能(力)转换成沿轴向移动能(推进力)来实现的。这种刚性轴对称曲面，可以是锥面(
图1)、抛物面(图2)、球面(图3)双曲面(图4)等。下面以单轴锥面结构来说明其工作原理图5所示是一个锥面刚性结构示意图。OO′是连接锥尖的转轴。它在数学上为该锥面的对称轴。θ为锥角。(这里，本发明所提及的对称，不仅是指曲面关于对称轴物理位置上的对称，而且还指曲面各点材质、质量上的对称。)当图5所示的装置绕轴OO′以角速度ω旋转时，锥面上的任何一点A将产生一个与轴OO′的方向垂直的离心力F1，由作用力与反作用力定律可知此点将同时受锥体内部张力F2作用以维持A点与轴OO′的相对位置不变(刚性)，F2的作用方向沿着锥面指向锥面顶点O，由于F1与F2两力并不完全抵消，F2在与与轴OO′相垂直的方向上的分力与F1大小相等方向相反，其平行于轴OO′方向上的分力将有带动此点沿轴向移动的趋势，整个锥面上的所有质点在该方向的合力将使该装置产生沿O′→O轴向移动的趋势，对于刚性均质锥面，该合力F(推进力)将由下式给出F＝πr3μω2sinθ1/6(1)式中，r为锥面从顶点O到边缘的半径长，μ为锥面的面密度，ω为旋转的角速度，θ为锥角。
由式(1)中可知，F与角度ω的平方，锥面半径r的立方成正比，ω越大，F力越大，r越大，F力越大。在其它构造及运动条件相同的情况下，当锥角θ为90°(π/2)时，F力达到最大值。
一般地，对于给定形状的任何轴对称旋转曲面，在沿轴旋转时所产生的轴线方向上的推进力F可由下式算出F=∫0r0∫π2ψ0f(r,ψ,ω)drdψ(2)]]>这里，ro为曲面边缘到顶点的直线距离，r为曲面上的任何一点与曲面顶点的直线距离，φo为该曲面边缘到顶点连线与对称轴OO′的夹角，φ为曲面上任何一点到顶点连线与对称轴的夹角，ω为角速度。
在本发明中如将前述任何形状的曲面联接在一个转轴朝上的旋转动力装置(如电动机)顶部，并使曲面顶点在最上方，则当该装置工作时，曲面旋转所产生的升力超过其本身和剩余物构造的全部重量时，该装置就会离开地面上升，这就是一种不依靠空气介质产生升力的新型航空航天飞行器，它可以不受大气层限制而直接进入太空(只要其旋转速度足够大)，它相对于现有的航空航天飞行器来说是一种工作条件相对温和，噪声低，既省力，又经济方便的航空航天运载工具。
特另地，本发明还着重探讨了应用于空间飞行领域时的水平移动问题，天空发现，这种类型飞行器在地球表面运行时不需借助另外的附加动力装置即可实现飞行器的水平飞行。它是利用陀螺原理来实现的，把飞行器设想成一个倒置的陀螺，在整个飞行器的重心与旋转轴相重合时，整个飞行器只是一个上下移动的陀螺。当非旋转部分的重心(也就整个飞行器的重心部分)偏离旋转轴时，整个飞行器就会沿重心偏移的方向发生水平位移，这种偏移一直存在，这种位移就会一直进行。这样，通过控制非旋转部分的重心偏离方向，也就可以控制该飞行器的水平飞行方向。下面仍以锥面结构为例用简单的受力分析来说明其原理如图6所示，A、A′是关于OO′轴对称的两个质点，由于前面谈到的对称条件要求两者质量应相等。故受到地面引力大小、方向也相同。在OO′轴垂直于地面的情况下，锥面以角速度ω转动时，A、A′点所受的各力也应大小分别对应相同，且在水平和垂直方向上的分力的合力也相同，此时锥面里垂直运动。
在图7所示的情况中，B为非旋转部分的重心，且不在旋转与非旋转部分的连接点O′上，旋转部分上升合力F与非旋转部分地球引力Go之间必定产生一个力矩使锥面向O′→B方向转动，导致轴O′O以O′为支点倾斜的趋势(图7所示)同样分析此时与截面OO′B相交的锥面结构两对称质点A、A′的受力情况可以发现分别作用于A与A′的张力F2和F′2大小不再相同，从矢量分析来看，它们分别等于 与 、 与 组成的平行四边形的两条对角线 和 的反作用力，由于 ，故F2F′2其它对称各点的受力情况也有类似差异，这样A点与A′点沿O′O轴线上的受力就不相同，综合受力的结果，所有的力集中于O点就带动锥面以O点以为支点返回垂直位置的趋势。前后两种趋势的交相重叠，使该飞行器永远向着调整重心的方向移动，这也是陀螺原理的本质所在。
本发明的装置从能量转化角度来看，能量损失少，转化率高，因而机械效率也较高。
本发明也可应用于作为陆上交通工具或水上水下舰船的动力推动装置上。如应用在作为舰船螺旋桨推进装置的代替品，具有对水流的剪切力小，因而噪声极低、机械效率高的显著特点，可以很有效地改善舰船的运行状况。
本发明结构简单，制造容易，作为飞行器推进装置场合具有飞行平稳安全，无噪声污染，对起落场地无特殊要求，管理维护费用极低，是一种有广泛前景的实用动力装置。
权利要求
1.用各种金属、金属合金、非金属单体或化合物以及上述各种组合的复合材料构成的刚性对称曲面和连接于曲面顶点(或底点)的转轴与曲面对称轴重合构成的动力推进(牵引)装置，它以转轴连接于电动机或类似旋转动力机械上，可以将旋转能转变为轴向推进(牵引)能，可应用于所有交通运载工具如航空航天飞行器，陆上交通工具，水上及水下舰船等领域。
2.依据权利要求1所述的航空航天器由本发明装置转轴垂直于地面旋转时产生升力，移动整个系统(飞行器)的重心离开转轴，将使该飞行器沿着重心偏移的方向发生相对于地面的水平方向位移。
3.依据权利要求1原理所制造的各种模型、玩具或非机械旋转力带动的刚性曲面对称旋转装置。
全文摘要
本发明涉及一种以刚性对称曲面以及连接于曲面顶点与该曲面对称轴重合的旋转轴为特征的构造装置，当该曲面绕轴旋转时，便产生沿轴线方向上的推进力。应用于航空航天飞行时，该旋转曲面可为整个系统(即飞行器)提供升力来源，不依赖于空气介质，可以直接进入太空。当飞行器在地球表面运行时，调整飞行器的重心偏离旋转轴，可使该飞行器维持沿偏离方向的水平位移。本装置还可用于陆上交通工具或水面、水下舰船上的动力推进装置。
文档编号F03H99/00GK1129773SQ9510904
公开日1996年8月28日 申请日期1995年8月8日 优先权日1995年8月8日
发明者朱江 申请人:朱江